अगली पीढ़ी नई ऊर्जा मोटर नियंत्रक विकास - SiC इन्वर्टर
इलेक्ट्रिक वाहन ड्राइव नियंत्रक में, इन्वर्टर ऊर्जा एसी / डीसी रूपांतरण के लिए एक प्रमुख घटक है, और मोटर की ड्राइविंग या ब्रेकिंग के दौरान ऊर्जा वसूली के लिए उपयोग किया जाता है। बाजार तेजी से ऊर्जा हस्तांतरण दक्षता, शक्ति घनत्व और मूल्य के संदर्भ में नियंत्रकों की मांग कर रहा है। पॉवर मॉड्यूल उच्च संचरण क्षमता और उच्च शक्ति घनत्व प्राप्त करने के लिए इन्वर्टर का प्रमुख घटक है। वर्तमान में, अधिकांश इलेक्ट्रिक वाहन ड्राइव इनवर्टर पारंपरिक Si (सिलिकॉन) डिवाइस IGBT (अछूता गेट द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर) पावर मॉड्यूल पर आधारित हैं। डिजाइन में कम स्विचिंग आवृत्ति और बड़े नुकसान के नुकसान हैं, जो इलेक्ट्रिक वाहन चालक के शक्ति घनत्व में सुधार को सीमित करता है।
SiC (सिलिकॉन कार्बाइड) में Si डिवाइसों के तीन फायदे हैं: उच्च विखंडन वोल्टेज ताकत; कम नुकसान; उच्च तापीय चालकता। इन विशेषताओं का मतलब है कि उच्च वोल्टेज, उच्च स्विचिंग आवृत्ति, उच्च शक्ति घनत्व अनुप्रयोगों में SiC उपकरणों का उपयोग किया जा सकता है। SiC मॉड्यूल बिजली विनिर्माण स्तर में सुधार के साथ, SiC इलेक्ट्रिक वाहन चालकों के लिए अधिक उपयुक्त अर्धचालक उपकरण होगा। इलेक्ट्रिक वाहन चालकों के उच्च शक्ति घनत्व को प्राप्त करने के लिए SiC उपकरणों का उपयोग एक प्रभावी साधन है। वर्तमान में, अधिक से अधिक शोध मोटर चालित इनवर्टर के लिए SiC पावर मॉड्यूल के आवेदन पर लागू किए गए हैं। टोयोटा मोटर कॉर्पोरेशन ने हाइब्रिड वाहनों में SiC पावर मॉड्यूल लागू किया है।
Si उपकरणों की तुलना में, SiC उपकरणों के उपयोग के बहुत फायदे हैं।
उच्च दक्षता और बेहतर वाहन लाभ
चूंकि SiIGBT का टर्न-ऑन वोल्टेज ड्रॉप डायोड विशेषताओं को प्रदर्शित करता है: भले ही ऑन-करंट छोटा हो, लेकिन IGBT में एक बड़ा प्रारंभिक टर्न-ऑन वोल्टेज ड्रॉप है। SiC MOSFET का टर्न-ऑन वोल्टेज ड्रॉप एक प्रतिरोधक विशेषता प्रदर्शित करता है: इसका टर्न-ऑन वोल्टेज ड्रॉप टर्न-ऑन करंट के समानुपाती होता है। SiIGBT और SiCMOSFET की दो अलग-अलग ऑन-वोल्टेज विशेषताएँ निर्धारित करती हैं कि SiCMOSFET की चालन हानि केवल SiIGBT की तुलना में अधिक है जब करंट बहुत बड़ा होता है, और SiMMOSFET का संवाहक नुकसान अधिकांश वर्तमान अंतरालों में SiIGBT से बेहतर होता है। पूरे वाहन के काम करने की स्थिति में, उनमें से अधिकांश छोटे वर्तमान काम करने की स्थिति हैं, और पूरे सड़क स्पेक्ट्रम में एक छोटे से अनुपात के लिए बड़े टोक़ काम करने की स्थिति का हिसाब है। SiC चिप प्रौद्योगिकी के विकास के साथ, SiCMOSFET का प्रतिरोध भविष्य में SiIGBT से बेहतर होगा।
इसलिए, SiC डिवाइस का उपयोग करने के बाद, पलटनेवाला की रूपांतरण दक्षता में काफी सुधार किया जा सकता है, ताकि एक ही बैटरी पैक के लिए, SiC डिवाइस का उपयोग प्रभावी रूप से पूरे वाहन के माइलेज में सुधार कर सके।
छोटे आकार और उच्च शक्ति घनत्व
SiC उपकरणों के कम नुकसान के कारण, SiC डिवाइस Si डिवाइसों की तुलना में छोटे चिप क्षेत्र के साथ समान आउटपुट पावर प्राप्त कर सकते हैं। इसी समय, SiC डिवाइस उच्च आवृत्तियों पर काम कर सकते हैं, जिससे पावर डिवाइस के आसपास निष्क्रिय घटकों के आकार को कम करने में मदद मिलती है। संयुक्त इलेक्ट्रॉनिक्स द्वारा विकसित SiC इन्वर्टर एक ही शक्ति स्तर पर अनुमोदित सी इन्वर्टर की मात्रा से आधे से अधिक है।
सिस्टम के शोर को अनुकूलित करने के लिए उच्च स्विचिंग आवृत्ति
वर्तमान में, सी इन्वर्टर की सामान्य स्विचिंग आवृत्ति 5-10 kHz है, और सिस्टम 5-20 kHz स्विचिंग शोर उत्पन्न करेगा, जो कि आवृत्ति रेंज में असुविधा पैदा करना आसान है जिसे मानव कान द्वारा सुना जा सकता है। SiC डिवाइस के साथ, स्विचिंग फ्रिक्वेंसी को 40 kHz तक बढ़ाकर, सिस्टम द्वारा उत्पन्न स्विचिंग फ़्रीक्वेंसी आवृत्ति रेंज को पार कर सकती है जिसे मानव कान द्वारा सुना जा सकता है। उसी समय, वर्तमान नियंत्रण हार्मोनिक्स को कम करने में मदद करने के लिए स्विचिंग आवृत्ति बढ़ जाती है, जिससे विद्युत चुम्बकीय शोर कम हो जाता है और वाहन के ड्राइविंग अनुभव में सुधार होता है।
लेकिन SiC उपकरणों का वर्तमान उपयोग भी बड़ी चुनौतियां प्रस्तुत करता है।
SiC डिवाइस अधिक महंगे हैं
चूंकि वर्तमान SiC चिप प्रक्रिया सी के रूप में परिपक्व नहीं है, मुख्य रूप से 4 इंच वेफर्स के लिए, सामग्री उपयोग दर अधिक नहीं है, और Si चिप वेफर 8 इंच या 12 इंच तक विकसित किया गया है। दूसरी ओर, बाजार पर SiC चिप्स की मांग अभी तक नहीं बढ़ी है, और दूसरी ओर, SiC चिप्स की लागत अपेक्षाकृत अधिक है।
SiC डिवाइस पैकेजिंग प्रौद्योगिकी विकास पिछड़ जाता है
वर्तमान में, दुनिया के कई मुख्यधारा के बिजली उपकरण आपूर्तिकर्ताओं ने SiC चिप्स पर शोध और विकास किया है, लेकिन इसके विपरीत, SiC उपकरणों के लिए पैकेजिंग प्रौद्योगिकी का विकास पिछड़ गया। Si चिप की तुलना में, SiC चिप में उच्च तापमान प्रतिरोध होता है और इसका ऑपरेटिंग तापमान 200 डिग्री से अधिक हो सकता है। हालांकि, SiC मॉड्यूल में उपयोग की जाने वाली सीलिंग तकनीक अभी भी Si मॉड्यूल के साथ डिज़ाइन की गई है, और इसकी विश्वसनीयता और जीवन 200 डिग्री को पूरा नहीं कर सकता है। नौकरी की आवश्यकताएँ। SiC चिप के आवेदन की स्थिति सीमित है।
ड्राइव सुरक्षा तकनीक
Si चिप की तुलना में, SiC चिप की शॉर्ट-सर्किट का सामना करने की क्षमता बहुत कम हो जाती है। इसलिए, ऑपरेशन के दौरान SiC डिवाइस की शॉर्ट-सर्किट विफलता को रोकने के लिए, ड्राइव सर्किट को कम प्रतिक्रिया समय की आवश्यकता होती है, जो कि SiC डिवाइस ड्राइव सर्किट की सुरक्षा तकनीक के लिए प्रस्तावित है। एक बड़ी चुनौती।
थर्मल डिजाइन
चूंकि एकल SiC चिप का क्षेत्र छोटा है, इसलिए उच्च शक्ति आउटपुट प्राप्त करने के लिए, समानांतर में अधिक चिप्स का उपयोग करना आवश्यक है। चिप्स के बीच थर्मल संतुलन सुनिश्चित करने और चिप के गर्म स्थान के तापमान की निगरानी करने के लिए मॉड्यूल के अंदर चिप का उचित लेआउट डिजाइन कैसे करें यह एक बड़ी चुनौती है।
उच्च स्विचिंग गति के कारण ईएमआई और इन्सुलेशन समस्याएं
Si उपकरणों की तुलना में, SiC उपकरणों की स्विचिंग गति में काफी सुधार किया जा सकता है, और स्विचिंग प्रक्रिया में di / dt और DV / dt में सुधार किया जाता है, हालांकि इससे डिवाइस के स्विचिंग लॉस को कम करने में मदद मिलती है, लेकिन दूसरी तरफ यह गंभीर ईएमआई समस्याओं का उत्पादन करेगा, ईएमआई को दबाने के लिए नियंत्रण सर्किट और फिल्टर सर्किट को ठीक से कैसे डिजाइन करें, यह भी एक महत्वपूर्ण मुद्दा है। इसी समय, उच्च डीवी / डीटी मोटर मोटरिंग के इन्सुलेशन को प्रतिकूल रूप से प्रभावित करता है, जो कि इंसुलेटेड तार और इंसुलेटिंग रिंग जैसे इंसुलेटिंग पार्ट्स की उम्र को तेज कर सकता है, इस प्रकार मोटर के इन्सुलेशन डिजाइन के लिए नई चुनौतियां ला सकता है।
सारांश में
यद्यपि वर्तमान SiC डिवाइस प्रक्रिया Si की तरह परिपक्व नहीं है, SiC पैकेज का विकास अपेक्षाकृत पिछड़ रहा है, और डिवाइस की कीमत Si की तुलना में कई गुना अधिक है। हालांकि, डिवाइस प्रौद्योगिकी की परिपक्वता और बाजार में SiC उपकरणों की बढ़ती मांग के साथ, इन नुकसानों को धीरे-धीरे समाप्त कर दिया जाएगा, और SiC उपकरण स्वाभाविक रूप से उच्च वोल्टेज, उच्च स्विचिंग आवृत्ति, कम नुकसान और इतने पर झेल रहे हैं। फायदे यह भी निर्धारित करते हैं कि भविष्य में बहुत अधिक प्रतिस्पर्धी सामग्री के रूप में इसका अधिक से अधिक व्यापक रूप से उपयोग किया जा सकता है।
